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基于耦合界面键合效应的石墨烯磨损研究

原子与分子物理学报 2025年第6期42卷 66-75页

作者：郑云飞卢艳武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081

石墨烯作为二维固体润滑材料,其超滑特性不仅是物理作用结果,其化学键结构机制下的摩擦化学现象,是深入理解石墨烯摩擦性能的关键.本文采用分子动力学(MD)方法构建了多重层数石墨烯增强不同粗糙形貌的金属基底模型,实现了其与金刚石尖... 详细信息

石墨烯作为二维固体润滑材料,其超滑特性不仅是物理作用结果,其化学键结构机制下的摩擦化学现象,是深入理解石墨烯摩擦性能的关键.本文采用分子动力学(MD)方法构建了多重层数石墨烯增强不同粗糙形貌的金属基底模型,实现了其与金刚石尖端滑动过程的动态分析,揭示了考虑尖端与石墨烯之间存在界面键时石墨烯层的理化耦合作用下的磨损机理.研究结果表明:当考虑金刚石尖端与石墨烯之间化学键合时,石墨烯发生磨损破裂的临界载荷相对于不考虑界面化学键时的值减小,这是由于界面键的形成会剥离石墨烯导致石墨烯断裂所致;金属基底的粗糙度也是决定石墨烯发生磨损破裂时临界载荷的重要因素之一,当粗糙度增大,临界载荷减小,同时通过增加石墨烯层的层数(增韧)来提高石墨烯发生磨损破裂失效的临界载荷.

关键词：石墨烯层界面键分子动力学磨损破裂

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InSe单层中点缺陷的第一性原理研究

原子与分子物理学报 2025年第6期42卷 167-173页

作者：何诗颖谢瑞恬刘娟邹代峰赵宇清许英廖雨洁湖南科技大学物理与电子科学学院湘潭411201 智能传感器与新型传感器材料湖南省重点实验室湘潭411201 山西大学化学化工学院太原030006 武汉大学动力与机械学院武汉430072

InSe是Ⅲ-Ⅵ族化合物中的主要成员,由于其具有优异的电学性能,在太阳能电池、固体电池组等领域受到广泛的关注.光电材料及器件的优良特性由电子结构决定,而Ⅲ-Ⅵ族化合物中的点缺陷对电子结构具有重要的调控,且单层InSe中点缺陷的Perdew... 详细信息

InSe是Ⅲ-Ⅵ族化合物中的主要成员,由于其具有优异的电学性能,在太阳能电池、固体电池组等领域受到广泛的关注.光电材料及器件的优良特性由电子结构决定,而Ⅲ-Ⅵ族化合物中的点缺陷对电子结构具有重要的调控,且单层InSe中点缺陷的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)和Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE)对比研究尚且缺乏.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层InSe的硒空位、铟空位、溴替代硒、硫替代硒、碲替代硒、镓替代铟、锡替代铟和铊替代铟的缺陷形成能和稳定性进行了研究.结果表明:在缺铟和富铟条件下,硫替代硒和镓替代铟的缺陷形成能低且可以有效的降低体系总能,提高体系的稳定性.溴替代硒具有较小的缺陷形成能,但较大的体系总能表明溴替代硒的缺陷体系不稳定.在缺铟条件下易形成铊替代铟缺陷;在富铟条件下易形成碲替代硒缺陷.上述研究结果有助于理解点缺陷对Ⅲ-Ⅵ族化合物稳定性的影响,同时也为未来实验上设计基于InSe的高效的光电子器件提供理论依据.

关键词：单层InSe 稳定性形成能点缺陷

不锈钢网上水热制备NiCo_2O_4/MoS_2纳米复合结构及其在电解水制氢中的应用

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金属学报 2018年第8期54卷 1179-1186页

作者：李丹李杨陈荣生倪红卫武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室武汉430081

在316L不锈钢网基底上利用水热法分别生长出Mo S2纳米片和Ni Co2O4纳米针,用同样的方法在生长有Mo S2纳米片的不锈钢网上二次负载Ni Co2O4纳米针制得了Ni Co2O4/Mo S2复合结构。利用SEM、TEM及XRD等手段对复合结构的表面形貌和物相组成... 详细信息

在316L不锈钢网基底上利用水热法分别生长出Mo S2纳米片和Ni Co2O4纳米针,用同样的方法在生长有Mo S2纳米片的不锈钢网上二次负载Ni Co2O4纳米针制得了Ni Co2O4/Mo S2复合结构。利用SEM、TEM及XRD等手段对复合结构的表面形貌和物相组成进行表征,通过电化学工作站测试材料的析氢性能。结果表明,Ni Co2O4/Mo S2复合结构表现最佳,在析氢反应过程中起始过电位仅为65 m V,Tafel斜率为108 m V/dec,当电流密度达到100 m A/cm2时,过电位仅219.6 m V,且循环稳定性良好。

关键词： 316L不锈钢网水热法硫化钼钴酸镍析氢反应

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工作间隙对磁流变液联轴器的影响

功能材料 2013年第B06期44卷 71-74,78页

作者：鲁光涛李友荣宋钢兵武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 美国休斯顿大学智能材料与结构实验室

对一种新型磁流变液传动器件——磁流变液联轴器的磁场进行了有限元分析,研究了工作区的间隙对磁流变液联轴器磁感应强度和剪切应力的大小及分布的影响。通过分析表明,当工作区间隙由0.2mm增加到2.0mm时,工作区的磁感应强度逐渐减小,而... 详细信息

对一种新型磁流变液传动器件——磁流变液联轴器的磁场进行了有限元分析,研究了工作区的间隙对磁流变液联轴器磁感应强度和剪切应力的大小及分布的影响。通过分析表明,当工作区间隙由0.2mm增加到2.0mm时,工作区的磁感应强度逐渐减小,而磁感应强度和剪切应力沿长度方向的分布却逐渐趋于均匀,磁感应强度最大值与最小值之差由0.65T减小到0.35T;无论是当工作区磁流变液的磁场达到饱和时,还是当磁感应强度使剪切应力达到屈服值时,剪切应力都不会再随磁感应强度升高而增大。通过计算可知,对于所研究的直径与长度之比为5/7的磁流变液联轴器,当工作区间隙由0.2mm增加到2.0mm时,它所能传递的工作扭矩仅降低25%。因此在设计其磁场时应综合计及加工、安装精度及生产成本等因素合理选择工作区的间隙,推荐选用1.2mm左右的工作间隙。

关键词：磁流变液联轴器工作区间隙有限元磁感应强度传递扭矩

基于灰狼优化算法的变截面点阵结构设计及性能优化

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力学学报 2024年第6期56卷 1702-1712页

作者：张树佰丁喆黄垲轩张严武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领... 详细信息

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

关键词：点阵结构变截面显式拓扑描述灰狼优化算法柔度

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高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

力学学报 2023年第2期55卷 433-444页

作者：黄垲轩丁喆张严李小白武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081

随着增材制造技术的迅速发展,点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注,但其单胞分布设计大多基于均布式假设,导致其承载能力相对较差.基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数... 详细信息

随着增材制造技术的迅速发展,点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注,但其单胞分布设计大多基于均布式假设,导致其承载能力相对较差.基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型,引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成;其次,构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型,建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系;然后,以点阵结构刚度最大为优化目标,结构材料用量和力学控制方程为约束条件,构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型,并采用OC算法进行数值求解.算例结果表明,所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计,充分提高了点阵结构的承载性能,同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性.最后,开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析,仿真结果表明,与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比,梯度分层点阵结构的承载能力明显提高.研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.

关键词：点阵结构梯度分层拓扑优化形状插值 Kriging 模型

非黏滞阻尼系统频响函数灵敏度分析的改进计算方法

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振动与冲击 2021年第21期40卷 1-9页

作者：史俊磊张磊丁喆武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081

频响函数灵敏度分析是实现频域梯度优化算法的基础。随着各类高阻尼复合材料的广泛应用,黏性阻尼模型假设已不能准确描述其耗能特性。卷积型非黏滞阻尼模型的阻尼力与质点速度的时间历程相关,能够更准确地描述黏弹性材料的阻尼特性。利... 详细信息

频响函数灵敏度分析是实现频域梯度优化算法的基础。随着各类高阻尼复合材料的广泛应用,黏性阻尼模型假设已不能准确描述其耗能特性。卷积型非黏滞阻尼模型的阻尼力与质点速度的时间历程相关,能够更准确地描述黏弹性材料的阻尼特性。利用复模态叠加法和直接微分法推导出不考虑高阶模态影响的频响函数灵敏度表达式;基于非黏滞阻尼系统矩阵与模态间的关系,提出适用于非黏滞阻尼系统频响函数灵敏度求解的一阶近似法和二阶近似法;通过数值算例验证了提出方法的有效性和准确性。结果表明,与传统方法相比,该改进的计算方法兼顾了计算精度和效率,为实现具有高阻尼性能复合材料结构的动力分析奠定了基础。

关键词：频响函数(FRF) 灵敏度分析非黏滞阻尼模型复模态叠加法直接微分法

β-sialon/Al_2O_3/CaO系材料烧结性能及反应过程研究

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硅酸盐学报 2004年第2期32卷 156-161页

作者：金胜利李亚伟李有奇李楠武汉科技大学高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室武汉430081

以β-sialon、活性氧化铝微粉和纯铝酸钙水泥为原料,研究了焦炭保护情况下,在1 500～1 650℃温度范围内,sialon/Al2O3/CaO体系材料的烧结性能和物相变化,借助SEM和XRD等手段对材料的显微结构和反应过程进行了观察和分析。结果表明:该体... 详细信息

以β-sialon、活性氧化铝微粉和纯铝酸钙水泥为原料,研究了焦炭保护情况下,在1 500～1 650℃温度范围内,sialon/Al2O3/CaO体系材料的烧结性能和物相变化,借助SEM和XRD等手段对材料的显微结构和反应过程进行了观察和分析。结果表明:该体系材料烧结性能与试样组成和烧成温度有关。温度升高,试样体积密度增加,显气孔率降低,当温度升高至1 650℃,试样烧结性能反而下降。试样在烧成过程中存在质量变化,1 500℃下烧成试样均表现为质量增加,而1 600℃以上试样表现为质量损失。从热力学分析推测烧成过程中试样内部存在复杂化学反应,在温度低于1 500℃时sialon与CO反应使碳析出,导致试样质量增加;而温度进一步升高,sialon和Al2O3将被还原形成AIl7O9N(s)和SiC(s),导致试样质量损失。X射线衍射分析显示:烧成材料中除含有刚玉、sialon相外,随烧成温度增加还出现物相变化:1 500℃形成钙黄长石相;1 600℃时钙黄长石相消失,出现了Ca-α-sialon和SiC;温度升至1 650℃,出现γ AlON。

关键词： sialon 氧化铝铝酸钙水泥烧结

基于解析法CFD−DEM的烧结矿立式固定床气固接触特性

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工程科学学报 2024年第10期46卷 1753-1763页

作者：张宇李承志郭嘉敏张伟武汉科技大学材料学部武汉430081 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金与资源利用省部共建教育部重点实验室武汉430081

烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学−离散元法(CFD−DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技... 详细信息

烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学−离散元法(CFD−DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技术获得颗粒表面的流场信息.结果表明,双粒径均匀混合料床的平均空隙率主要取决于小粒径颗粒,大粒径颗粒主要影响料床的大空隙结构及分布.“A型”偏析(中心区域堆积小粒径颗粒,近壁面区域堆积大粒径颗粒)料床压降显著低于均匀混合料床,但颗粒与气体接触不充分;“B型”偏析(偏析方式与“A型”相反)料床兼顾了低压降和气固充分接触的特点.料床实验压降与模拟压降随气体表观流速的变化趋势保持一致,验证了解析CFD−DEM方法的准确性.

关键词：计算流体力学−离散元法耦合计算浸没边界法网格细化烧结矿立式冷却气固接触